高電荷態(tài)離子是宇宙中一種常見的物質(zhì)形式，在太陽或其他恒星中可發(fā)現(xiàn)它們。它們失去了許多電子，因此具有很高的正電荷。這就是為什么最外層的電子與原子核的結(jié)合比中性或帶弱電的原子更強(qiáng)。

出于這個(gè)原因，高電荷態(tài)離子對(duì)外部電磁場(chǎng)的干擾反應(yīng)不那么強(qiáng)烈，成為對(duì)狹義相對(duì)論、量子電動(dòng)力學(xué)和原子核的基本效應(yīng)更敏感的探測(cè)器。

PTB物理學(xué)家盧卡斯·斯皮伯解釋說，一個(gè)帶有高電荷態(tài)離子的光學(xué)原子鐘有助于更好地檢驗(yàn)這些基本理論。“我們能夠在一個(gè)五電子系統(tǒng)中探測(cè)到量子電動(dòng)核反沖，這是一個(gè)重要的理論預(yù)測(cè)，這是在以前的任何其他實(shí)驗(yàn)中都未能實(shí)現(xiàn)的�！�

高電荷離子鐘（概念圖）

此前，研究人員從熱等離子體中分離出單個(gè)高電荷的氬離子，并將其與單個(gè)帶電的鈹離子一起存儲(chǔ)在離子陷阱中。這使得高電荷態(tài)離子可被間接冷卻，并通過鈹離子進(jìn)行研究。

隨后，PTB開發(fā)的量子算法成功地進(jìn)一步冷卻了高電荷態(tài)離子，即接近量子力學(xué)基態(tài)。這相當(dāng)于絕對(duì)零度以上2億分之一開氏度。這些結(jié)果已于2020年和2021年分別發(fā)表在《自然》和《物理評(píng)論X》上。

研究人員此次成功地邁出了下一步：他們實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于13倍帶電氬離子的光學(xué)原子鐘，并將其與PTB現(xiàn)有的鐿離子鐘進(jìn)行了比較。其綜合評(píng)估的系統(tǒng)頻率不確定度為2.2×10^-17，可與許多運(yùn)行中的光時(shí)鐘相媲美。

研究人員創(chuàng)造了現(xiàn)有光學(xué)原子鐘的一個(gè)有力競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，其所使用的方法是普遍適用的，允許研究許多不同的高電荷態(tài)離子，其中包括可用于搜索粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的擴(kuò)展原子系統(tǒng)。

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